基于計算機軟件模擬的板式磁選機磁系設計

盧俊穎 王化軍,2 方 昊 馮志遠 張開路(.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 00083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 00083)

基于計算機軟件模擬的板式磁選機磁系設計

盧俊穎1王化軍1,2方 昊1馮志遠1張開路1(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

板式磁選機是北京科技大學新研制的一款用于20 mm以下貧磁鐵礦石干式預選的設備。運用A.M.軟件對板式磁選機的磁系進行了設計優化研究。確定的釹鐵硼磁塊牌號為N50，厚度為30 mm，磁塊縱向間隙為40 mm，磁系底板材料為Q235；依據模擬結果制作的實物模型的磁感應強度實測值與模擬結果基本一致，模擬結果可靠性好。研究結果表明，利用計算機軟件模擬磁系的磁場分布，可大大減少磁系設計的工作量，提高磁系設計的可靠性。

板式磁選機 磁系設計 模擬計算 磁感應強度

近年來我國磁選設備的研制進展很快。在磁選設備中，磁系設計是關鍵，了解磁選設備分選空間磁場分布十分重要，它對分析磁選設備的性能，進而確定適宜的磁系結構參數、磁塊形狀和尺寸，以及研究磁性顆粒受力情況起著重要的作用[1-3]。同時，為了優化結構、節省材料，設計制造供不同用途且能滿足特定磁場要求的磁系體系，就必須對其磁場的大小與分布做出嚴密的分析與準確的計算[4-5]。

本研究利用A.M.軟件[6]進行磁系磁場分布仿真模擬，優化磁系參數，主要包括釹鐵硼磁塊的性能牌號、磁塊的厚度、磁塊的縱向間隙及磁系底板材料等，為板式磁選機磁系結構設計和制造提供理論指導。

1 模擬模型與評價方法

板式磁選機主要是為-20 mm的貧磁鐵礦的干式預磁選而設計的分選設備。考慮該磁選機的皮帶厚度、主要磁場作用區域及磁場作用深度等因素，模擬結果真實、準確與否的考察標準為垂直距離磁系表面0，3，8，30 mm處磁感應強度的分布情況。良好的磁系磁路設計,應在盡量減少永磁材料使用[7]的前提下讓磁路中更多的磁通量聚集到作業空間，以滿足磁場強度最大的要求。由于該設備用于分選強磁性礦物，分選區只要有足夠高的磁場強度，而不需要太高的磁場梯度，因此分選磁系磁性材料均使用釹鐵硼永磁磁塊，其長×寬為80 mm×60 mm。

針對磁系不同的結構參數，建立如圖1所示模型，設置好每種參數對應的模型后分別進行磁場模擬，可模擬出磁系磁感應強度在空間上的分布，然后，在垂直距離永磁體磁系表面0，3，8，30 mm處分別做一與極面平行的直線，對直線上各點的磁場大小求解，即可得到距離磁系表面不同距離處磁感應強度的分布情況，對直線上各點的數據進行分析后選擇合理的結構參數。

圖1 仿真模擬模型

基于二維模擬可以表示磁系縱向上的結構形式，但沒有考慮橫向磁極對縱向磁場分布的影響，因此，三維模擬條件下建立的模型更貼近實際，模擬結果也更具真實性。為了論證二維條件下模擬結果的可靠性與準確性，對二維與三維條件下的模擬結果進行了對比，見圖2。

圖2 二維模擬與三維模擬對比

模擬對比表明，二維與三維模擬的磁感應強度基本一致，因此可以認為縱向磁極的二維模擬結果可以代表整個板式磁選機磁系的模擬結果，且由于二維模擬計算量較三維模擬的要小很多，建模也更加簡便，因此，本研究將使用二維模擬進行磁系的模擬計算。

2 軟件模擬結果分析

2.1 釹鐵硼磁塊牌號的選擇

釹鐵硼永磁磁塊有多種不同性能的牌號，較常見的有燒結型的N50，N38，N27。不同的數字牌號表示不同大小的磁能積。磁能積是退磁曲線上任何一點的B和H的乘積，是衡量磁體所儲存能量大小的重要參數之一。在能滿足所需磁感應強度的前提下，希望使用的磁性材料越便宜、來源越廣泛越好。在釹鐵硼磁塊尺寸等可能影響磁感應強度因素相同的情況下，若低牌號的釹鐵硼磁塊能達到所需要的磁感應強度，則應盡可能使用低牌號磁塊。

在磁系底板材料為Q235，釹鐵硼磁塊厚度為30 mm，磁塊縱向間隙40 mm的條件下，利用A.M.軟件模擬了使用牌號分別為N50，N38和N27的釹鐵硼永磁磁塊所形成的不同的磁系，并求解了距離磁系表面不同距離處磁場的分布情況。由于磁系磁場具有對稱性，因此，截取考察直線上的部分點就可以表達清楚磁場分布趨勢和強度。模擬結果見圖3。需要說明的是，凡是和磁系模擬相關的圖表中，橫坐標的距離指的均是該點到模型坐標原點的橫向距離。

圖3 不同牌號磁塊構成的磁系的磁場分布

由圖3可以看出，磁感應強度在垂直方向上衰減速度很快，當達到一定的磁場作用深度后，磁場分布變得十分平緩，以一條直線為中心窄幅波動；隨著磁塊磁能積的增大，磁感應強度的峰、谷值也增大，但不同牌號磁塊構成的磁系磁感應強度的峰、谷值之差基本一致。由于板式磁選機是貧磁鐵礦石的干選設備，應在盡可能拋除廢石的同時控制住尾礦中磁性鐵的含量，因而希望分選區的磁感應強度越大越好，磁場作用深度越深越好。

由圖3還可以看出，在距離磁系表面0 mm處不同牌號的磁塊構成的磁系表面磁感應強度差距最顯著，N50磁塊形成的最高磁感應強度可達到1.5 T，而N27磁塊形成的最高磁感應強度只能達到1 T；隨著距離磁系表面的距離越來越遠，不同牌號的磁塊所形成的磁感應強度差異越來越小，尤其是N50磁塊和N38磁塊之間。但是在實際磁塊充磁過程中，磁塊的性能往往不能達到理論水平，再考慮安裝時可能造成的磁塊邊角損壞會降低磁塊場強，因此，為了盡可能確保較高的磁感應強度，選用磁能積較大的N50釹鐵硼永磁磁塊更好。

2.2 釹鐵硼磁塊厚度的選擇

在磁體使用時對應于一定能量的磁體，要求磁體的體積盡可能小。影響磁場分布情況的主要是磁塊的厚度，因此使用A.M.軟件考察了長×寬為80 mm×60 mm的磁塊不同厚度情況下的磁場分布。

在磁系底板材料為Q235，釹鐵硼磁塊性能牌號為N50，磁塊縱向間隙40 mm的條件下，模擬厚度分別為10，20，30，40和50 mm的釹鐵硼永磁磁塊形成的不同的磁系在距離磁系表面不同距離處的磁場的分布情況。模擬結果見圖4。

由圖4可以看出：①磁塊越厚，產生的磁感應強度越大，磁場作用深度越深。②厚度為10 mm的磁塊，距離磁系表面3 mm處的最高、最低磁感應強度已衰減到400 mT和150 mT左右，磁場作用深度太淺，可以排除。③厚度為20 mm的磁塊，磁系表面磁感應強度最高達1.3 T，距離磁系表面3 mm處的最高、最低磁感應強度已衰減到550 mT和300 mT左右，距離磁系表面8 mm處進一步衰減至400 mT和270 mT左右，距離磁系表面30 mm處則衰減到了170 mT左右，該磁塊基本滿足磁感應強度要求。④厚度為30 mm的磁塊，距離磁系表面8 mm處的最高、最低磁感應強度為500 mT和350 mT，距離磁系表面30 mm處則衰減到210 mT左右，作用深度比20 mm厚的磁塊要深，在主要選別區域內的場強較適宜。⑤當磁塊厚度達到40 mm和50 mm時，能夠達到的磁感應強度更高，接近中場強。

按照磁塊選擇原則，磁能積一定的情況下，在能夠滿足磁感應強度的前提下，選擇體積小的磁塊。貧磁鐵礦的選別屬于弱磁選，考慮貧磁鐵礦中磁性鐵含

圖4 不同磁塊厚度磁系的磁場分布

量較低，磁選場強可以稍高，因此選擇厚度為30 mm的釹鐵硼永磁磁塊。

2.3 磁系縱向間隙的確定

氣隙會導致場強迅速減弱，但合適的間隙不影響磁性物料在磁場中的磁翻轉作用，并且可以節省磁性材料的使用，也便于磁系的安裝。磁塊在橫向布置上一般是緊密布置的，對于板式磁選機而言，物料的磁翻轉作用主要發生在縱向的搬運過程，橫向都是極性相同的磁極，若是存在橫向間隙，勢必會導致在分選過程中出現一條一條的物料層，造成回收率的損失，因此只需確定縱向間隙的大小。

在磁系底板材料為Q235，釹鐵硼磁塊性能牌號為N50，磁塊厚度為30 mm的條件下，對磁塊縱向間隙分別為0， 10，30，40和50 mm磁系進行軟件模擬，結果見圖5。

圖5 不同縱向間隙磁系的磁場分布

由圖5可以看出，與磁系表面的距離無論多少，除了間隙為0 mm和50 mm時波谷有較大的波動外，間隙為10 mm，30 mm和40 mm時磁場波谷差別不大，只是波峰有差異，但都能滿足磁感應強度的要求。當磁極間隙為0 mm時，磁系表面磁感應強度不論是峰值還是谷值均較強，雖能滿足磁選機磁感應強度上的要求，但意味著將消耗更多的磁性材料。當磁極間隙為50 mm時，由于氣隙的影響，磁場衰減很快，作用深度也受到影響。綜合考慮節約磁性材料和磁感應強度因素，確定磁系縱向間隙以40 mm為宜。

2.4 磁系底板材料的確定

磁系底板對磁場的大小和分布有著重要的影響，底板材料大致分為2類：導磁材料和不導磁材料。為了方便原材料的采購，選擇不銹鋼板(不導磁材料)、鐵板、Q235鋼板作為磁系底板候選材料，分別對這些材料進行軟件模擬，選擇出適合的磁系底板。

在釹鐵硼磁塊性能牌號為N50，磁塊厚度為30 mm，磁系縱向間隙為40 mm的條件下，對不同的磁系底板材料進行軟件模擬，考察各材料的漏磁情況，主要參考磁力線的分布情況，距離磁系表面不同距離處的磁場分布情況作為輔助參考，從而確定合適的底板材料。模擬磁力線的分布情況見圖6，磁系表面一定距離處的磁感應強度見圖7(以3 mm處為例)。

由圖6可以看出，由于不銹鋼板是不導磁材料，無法閉合磁力線，因而底板兩側的磁力線幾乎呈對稱分布，造成磁場分散；而純鐵板和Q235鋼板是導磁材料，磁力線到達底板后閉合，沒有磁塊的一側幾乎沒有磁力線分布，說明沒有磁塊的一側磁場力很小，這樣的磁力線分布情況便于磁系的安裝。

由圖7可以看出，純鐵板和Q235鋼板作為底板能夠達到的磁感應強度比以不銹鋼板為底板的更高，作用深度也更深，且純鐵板和Q235板為底板形成的磁場分布情況幾乎一致，磁系表面其他距離處的情況完全類似，不贅述。考慮原材料的價格與采購難易度，選擇Q235鋼板作為磁系底板材料。

3 磁系模型實測結果

根據軟件模擬結果確定的磁系參數，制作了磁系的實物模型。使用高斯計對實物模型距磁系3 mm處的磁感應強度進行了測量，實測結果與模擬結果對比見圖8。

由圖8可以看出，實測結果和模擬結果基本一致，說明了模擬結果的可靠性。至于實測結果略低于模擬結果，這既可能與釹鐵硼磁塊實際充磁值達不到理論值有關，也可能與磁系安裝過程中造成的磁塊損壞、安裝精度不夠造成氣隙等有關。

4 結 語

(1)根據板式磁選機的實際用途，運用A.M.軟件對板式磁選機磁系磁場分布的仿真模擬，確定的磁塊為牌號為N50的釹鐵硼磁塊，磁塊厚度為30 mm，磁塊的縱向間隙為40 mm，磁系底板材料為Q235。

圖6 不同底板材料磁系的磁力線分布

圖7 距離磁系表面3 mm處磁場分布

圖8 實測結果與模擬結果對比

(2)根據模擬研究確定的磁系參數制作了實物模型，其磁感應強度實測值與模擬結果基本一致，說明模擬結果非常可靠。

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(責任編輯 羅主平)

Plate-type Magnetic System Design Based on Computer Software Simulation

Lu Junying1Wang Huajun1,2Fang Hao1Feng Zhiyuan1Zhang Kailu1
(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

Plate-type magnetic separator is a kind of new dry pretreatment equipment，developed by University of Science and Technology Beijing，applicable to poor magnetic ore at 20 mm or below.Magnetic system in plate-type magnetic separator is optimized by A.M.software.It is determined that magnetic block brand of NdFeB is N50，thickness 30 mm，vertical clearance 40 mm，Q235 for the magnetic backplane; On the base of simulation results，the measured magnetic induction intensity of physical model is closed to the simulated results，that is，the simulated results has good reliability.Results show that using computer software to simulate the magnetic field distribution of magnetic system can greatly reduce the workload and improve the reliability of the magnetic system design.

Plate-type magnetic separator，Magnetic system design，Simulation calculation， Magnetic induction intensity

2014-10-24

盧俊穎(1990—)，女，碩士研究生。通訊作者 王化軍(1963—)，男，教授，碩士。

TP15，TD457

A

1001-1250(2015)-01-108-05